Heute finden sich in den automatisierungstechnischen Anlagen zahlreiche verschiedene Feldbussysteme. Zunehmend ist auch Industrial Ethernet im Einsatz. Vielfach sind Kopplungen zwischen den Kommunikationssystemen nicht standardisiert. Zur Vereinfachung der technischen Handhabung und zur Kostensenkung wird ein Konzept für die horizontale und vertikale Integration benötigt. Aus Sicht von Industrial Ethernet spielen hier die Aspekte: Feldbusintegration (nach unten) und MES-Schnittstelle (nach oben) eine wichtige Rolle. Die Feldbusintegration kommt in Anlagenerweiterungen zum Tragen, das heißt immer dann, wenn in den bestehenden Anlagenteilen bereits eine feldbusbasierte Lösung vorhanden ist. Die Integration „nach oben“, also von der Steuerung zu einem MES- oder ERP-System, ist Voraussetzung für eine optimale Produktionsauslastung. In modular strukturierten Maschinen und Anlagen, in denen die einzelnen Produktionsschritte lose gekoppelt sind, dient die Schnittstelle zwischen den Maschinen- und Anlagenmodulen der Synchronisierung der Module bei der Produktion und zum zeitunkritischen Datenaustausch.
Feldbusse sind im Feldbereich von Anlagen der Fertigungs- sowie Prozessautomatisierung seit einigen Jahren fest etabliert. Hier setzt Profibus als weltweit wichtiger Anbieter mit einer Basis von mehr als 25 Millionen installierten Knoten seit nunmehr fast 20 Jahren Maßstäbe. Der Einsatz der Feldbustechnologie ermöglichte die Migration von zentralen zu dezentralen Automatisierungssystemen und hat zur Erhöhung des Automatisierungsgrades wesentlich beigetragen.
Einheitliche Kommunikation
Der Trend zu transparenten und durchgängig automatisierten Geschäfts- und Produktionsprozessen vom Wareneingang über die Herstellung bis zur Qualitätskontrolle erfordert aus Kostengründen eine einheitliche Kommunikation. Je ähnlicher die Systemarchitektur und je nahtloser der Übergang industrieller Netzwerke, desto niedriger sind die Investitions-, Betriebs- und Instandhaltungskosten. Der ethernet-basierten Kommunikation bis in die Feldebene kommt hierbei in der nächsten Zeit eine Schlüsselrolle zu. Durch die Integration der Informationstechnik (IT) in die Automatisierung eröffnen sich darüber hinaus deutlich verbesserte Möglichkeiten der Kommunikation zwischen Automatisierungssystemen sowie von Automatisierungssystemen bis hin zur Unternehmensleitebene. Zudem ergeben sich weit reichende Konfigurations- und Diagnosemöglichkeiten sowie netzweite Servicefunktionen. Diese Aspekte haben die Architekten von Profinet bei der Entwicklung stets im Fokus behalten.
Alle diese Funktionen können nur dann in Anlagen kostengünstig realisiert werden, wenn eine effiziente Lösung für die vertikale, aber auch für die horizontale Integration der unterschiedlichen Kommunikationsteilnehmer bereit steht. Eine solche Lösung nutzt als Kern und Ausgangspunkt für die Kommunikation Ethernet. Dass der Einsatz von Ethernet in der industriellen Automatisierung noch entsprechend auf die in der Industrie vorzufindenden Umgebungsbedingungen und auf die benötigte Realtime-Fähigkeit ausgerichtet werden musste, versteht sich hier von selbst. Erster wichtiger Aspekt ist die Integration der etablierten Feldbus-Welt, beispielsweise bei Anlagenerweiterungen, wenn also in den bestehenden Anlagenteilen bereits eine feldbusbasierte Lösung vorhanden ist. Bei Neuanlagen ist dies allerdings zugleich eine Kostenfrage. Solange die Stückzahlen bei Industrial Ethernet noch nicht in der Größenordnung der Feldbusse liegen, sind im Allgemeinen auch die Kosten höher. Die Schnittstelle zwischen den beiden Kommunikationssystemen hat einen Hardware- sowie einen Software-Anteil und kann als ein Gateway implementiert werden, in dem das unterlagerte Feldbussystem durch einen Proxy repräsentiert wird.Zweiter Aspekt ist die Integration von Automatisierungssystemen in Manufacturing Execution Systeme (MES) und Enterprise Resource Planning (ERP), die an Bedeutung zunehmen. Diese Integration „nach oben“ ist Voraussetzung für eine optimale Produktionsauslastung. Durch den Einsatz von Ethernet wird zwar eine wichtige Voraussetzung für die Durchgängigkeit von der Automatisierungsebene zu den Bürobereichen erfüllt, eine einheitliche Schnittstelle von der Automatisierung zur MES-Ebene für die Bereitstellung MES-relevanter Daten hat sich aber derzeit noch nicht etabliert. Die Entwicklung der Automatisierung hin zu offenen, verteilten Systemen, mit denen Maschinen und Anlagen modular konstruiert werden können, stellt einen weiteren Integrationsaspekt dar. Dabei folgen die Hersteller Anwenderforderungen nach signifikanten Zeit- und Kosteneinsparungen beim Erstellen und Betrieb von Anlagen. Maschinen führen immer anspruchsvollere Funktionen aus und werden damit zunehmend komplexer. Modulare Konstruktionen sowie der gezielte Einsatz dezentraler Peripherie leisten hier einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Effizienz.
Innovativer Standard
Profinet ist ein moderner und offener Standard für Industrial Ethernet, der alle Anforderungen der Automatisierung erfüllt wie industriegerechte Installationstechnik, Real-Time-Fähigkeit, Deterministik, einfache Netzwerkadministration und -diagnose, Schutz vor unbefugtem Zugriff, effizientes und herstellerübergreifendes Engineering, taktsynchrone Motion-Control-Anwendungen sowie hohe Maschinen- und Anlagenverfügbarkeit. Weitere wichtige Aspekte von Profinet sind die Themen „Security“ und „Safety“. Um unterschiedliche Anwendungen optimal zu unterstützen, bietet Profinet die beiden Varianten Profinet IO für die Integration dezentraler Peripherie und Profinet CBA für die Erstellung modularer Anlagen für die verteilte Automation. Alle Automatisierungsaufgaben werden mit einem einzigen Kommunikationssystem auf Basis von Industrial Ethernet ausgeführt. Profinet setzt auf eine durchgängig skalierbare Lösung für die Realtime-Kommunikation – bei gleichzeitig uneingeschränkter Nutzung offener IT-Standards wie TCP/IP. Neben der Realtime-Fähigkeit und der Nutzung der IT-Technologie spielt bei Profinet auch der Aspekt „Investitionsschutz“ eine wichtige Rolle. Profinet ermöglicht die Einbindung aller Feldbussysteme, angefangen bei Profibus über AS-Interface und DeviceNet bis hin zu Interbus ohne Änderungen existierender Feldgeräte. Damit sind Investitionen von Anlagenbetreibern, Maschinen- und Anlagenbauern sowie von Geräteherstellern gesichert. Für die Integration von Feldbussystemen steht das Proxy-Konzept zur Verfügung.
Für die Bereitstellung der in MES benötigten Informationen aus der Anlagenautomatisierung haben sich bislang keine Standards etabliert. Profinet kann neben den Prozess-Nutzdaten auch MES-relevante Daten bereitstellen und bietet damit eine ideale Voraussetzung zur Unterstützung von MES- und ERP-Systemen. Feldbusse sind in der Automatisierung etabliert und weit verbreitet. Kostenaspekte zwingen die produzierende Industrie einerseits dazu, die Verwendung mehrerer Kommunikationssysteme (beispielsweise Ethernet und Feldbus in einer Maschine) zu vermeiden. Andererseits ist es insbesondere bei Anlagenerweiterungen vielfach notwendig, bestehende Anlagen- oder Maschinenteile unverändert zu integrieren. Hierbei leistet das Proxy-Konzept von Profinet, mit dem sich existierende Profibus- und andere Feldbus-Systeme wie Interbus und DeviceNet einbinden lassen, gute Dienste. So können beliebige Mischsysteme aus feldbus- und ethernet-basierten Teilsystemen aufgebaut werden, was einen kontinuierlichen Technologieübergang von feldbus-basierten Systemen zu Profinet ermöglich. Die hohe Zahl bestehender Feldbus-Systeme erfordert aus Gründen des Investitionsschutzes eine einfache Einbindung dieser Systeme in Profinet. Dabei werden folgende Fälle unterschieden:
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- Der Anlagenbetreiber möchte seine vorhandenen Installationen leicht in ein neu zu installierendes Profinet-System integrieren können.
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- Der Anlagen- und Maschinenbauer möchte sein bewährtes und bekanntes Gerätespektrum unverändert auch für Profinet-Automatisierungsprojekte nutzen können.
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- Der Gerätehersteller möchte seine existierenden Feldgeräte ohne Änderungsaufwand in Profinet-Anlagen integrieren können.
Feldbuslösungen lassen sich bei Profinet über Proxies einfach und nahtlos in ein Profinet-System einbinden. Der Proxy fungiert dabei als Repräsentant der Feldbusgeräte am Ethernet. Er integriert die an ein unterlagertes Feldbussystem angeschlossenen Teilnehmer in das übergeordnete Profinet-System. Damit können die Vorteile der Feldbusse wie hohe Dynamik, ortsgenaue Diagnose und automatische Konfiguration des Systems ohne Einstellungen an den Geräten auch in der Profinet-Welt genutzt werden. Die Übertragung der Systemvorteile vereinfacht die Planung durch bekannte Abläufe sowie die Inbetriebnahme und den Betrieb durch die umfassenden Diagnose-Eigenschaften des Feldbussystems. Die Geräte und Softwaretools werden ebenfalls in der gewohnten Weise unterstützt und in die Handhabung des Profinet-Systems integriert.
Brücke zu MES-Systemen
MES ist zwischen ERP-Systemen und Anlagen-Automatisierungs- und Leitsystemen angesiedelt. Die von der Instrumentation, Systems and Automation Society (ISA) in der Spezifikation ISA S95 beschriebenen Interaktionsmodelle und die zugehörige einheitliche Terminologie stellen dabei den wichtigsten Standard für MES-Lösungen dar. Die Spezifikation gliedert MES in die vier Säulen Produktion, Qualität, Instandhaltung und Lagerhaltung.
Durch den Einsatz von Ethernet wird eine wichtige Voraussetzung für die Durchgängigkeit von der Automatisierungsebene zu den Bürobereichen erfüllt. Damit können beide Ebenen funktional leichter integriert werden. Zur Unterstützung der funktionalen vertikalen Integration wurden für Profinet im ersten Schritt die „Maintenance Operations“ als Bestandteil der Schnittstelle zur MES-Ebene spezifiziert. Diese so genannten „Operations“ sind Funktionen der Instandhaltung. Sie beschreiben sowohl die Aktionen im MES-System als auch die notwendigen Interaktionen zwischen MES- und ERP-System. Die Bereitstellung der in MES benötigten Informationen aus der Anlagenautomatisierung war in der Vergangenheit aufwendig, da noch keine Standards etabliert waren. Diese Lücke wurde nun mit der Richtlinie „Profinet and MES Maintenance Operations“ geschlossen. Beschrieben werden in der Richtlinie Profinet-Funktionen, die nicht direkt in der Ebene der Automatisierungssysteme angewendet werden, sondern die MES-Instandhaltungssysteme maßgeblich unterstützen. Eine wesentliche Information zur Beurteilung der Anlagenverfügbarkeit ist der Zustand der Produktionsanlage. Das Aktivitätsmodell für die MES Maintenance Operations benötigt die Zustandsinformationen als Eingangsgröße für die Planung und Durchführung von Instandhaltungsaktivitäten. Profinet verwendet in diesem Zusammenhang zur Darstellung der Gerätezustände ein erweitertes Ampelmodell, welches neben dem Zustand „Gerät gestört“ auch die Vorwarnstufen „Instandhaltungsbedarf“ und „Instandhaltungsanforderung“ berücksichtigt. Eine weitere MES-relevante Funktion von Profinet ist die Fähigkeit, die in der Anlage eingebauten Geräte eindeutig und rein elektronisch zu definieren. Dazu bedient sich Profinet der in der Richtlinie „Identification and Maintenance Functions“ (I&M-Funktionen) spezifizierten Funktionen. Dabei ist im Basisumfang das so genannte elektronische Typenschild enthalten, das vom Gerätehersteller in den Geräten hinterlegt und vom Verwender ausgelesen werden kann. Es enthält gerätespezifische Daten, die beispielsweise für die Ersatzteilauswahl, für Beschaffung und Lagerhaltung sowie für die Planung von Geräteupdates verwendet werden können. Im Einzelnen sind das unter anderem die folgenden Informationen: Gerätehersteller, Bestellnummer des Gerätes, Hardware-Ausgabestand, Firmware-Ausgabestand und Revisionszähler. Ergänzend zum elektronischen Typenschild wurden weitere I&M-Daten definiert, die während der Anlagenerstellung vom Betreiber in den Geräten hinterlegt werden können. Hierzu gehören Anlagen- und Ortskennzeichen sowie Installationsdatum und Kommentare. Die Erstellung modularer Anlagen für die verteilte Automation erfolgt mit Profinet CBA. Es ist ideal für „intelligente“ Feld- und Automatisierungsgeräte mit programmierbaren Funktionen geeignet. Das Komponenten-Modell von Profinet CBA beschreibt autonom agierende Teileinheiten von Maschinen oder Anlagen als technologische Module. Ein auf Basis dieser Module konzipiertes verteiltes Automatisierungssystem vereinfacht die Modularisierung von Anlagen und Maschinen und damit deren Wiederverwendbarkeit erheblich. So lassen sich Engineering-Kosten entscheidend senken. Profinet CBA wird durch eine XML-basierte Beschreibungssprache umgesetzt (PCD, Profinet Component Description). Das Engineering verteilter Automatisierungsanlagen unterscheidet zwischen der Programmierung der Steuerungslogik einzelner technologischer Module (Hersteller-spezifische Projektierungstools) und der herstellerneutralen Projektierung der Gesamtanlage, bei der die Kommunikationsbeziehungen zwischen den technologischen Modulen festgelegt werden.
Zusammenfassung
Mit seinem Funktionsumfang ist Profinet für eine durchgängige und einheitliche Automatisierung von Maschinen sowie Anlagen bestens geeignet. Ähnlich wie Profibus ist Profinet eine Technologie, die das gesamte Spektrum industrieller Automatisierung abdeckt. Die installierte Basis von mehr als 25 Millionen Profibus-Geräten bildet in Verbindung mit der leichten Integrationsfähigkeit bestehender Profibus-Systemen und mit der Etablierung des gleichen Gerätemodells und Engineerings bei Profinet wie bei Profibus eine gute Startposition für die Durchsetzung von Profinet auf dem Markt für Ethernet-Systeme in der Automatisierung.
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